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摘要：随着风力发电的快速发展，其支撑结构的安全变得尤为重要。当下复合材料杆件应用于风电支撑结构中相当常见，此类支撑结构安全性评估是急需解决的重要课题。本文应用算例对比分析了复合材料对塔架承载力的提高作用，为工程设计提供必要的技术支持。
关键词：支撑结构；安全性；复合材料
1.引言
风力发电支撑结构现状及安全性分析与评估，已经成为风力发电重要技术保障课题。目前，国内对使用阶段出现的安全问题的研究相对较多，且由于工程特殊性，一般结合工程实际采用有限元的方法进行研究。同济大学的马人乐教授对支撑结构的亚健康状态进行了较全面的分析[1]，包括螺栓的松动破坏、基础混凝土破碎以及整体倾覆等安全问题。宁波大学的章子华教授对台风作用下的风荷载进行时程模拟[2]，研究了支撑结构在台风作用下的破坏形式。对于风力发电复合材料支撑结构设计的安全性鲜有研究。
2复合材料的应用对支撑结构安全性的影响
塔筒一般为钢质材料，由于其尺寸和重量因素，运输安装费用消耗较高。对近海、海上风机塔筒还面临严重的表面腐蚀问题，容易导致结构失效，后期投人的维护费用高。近年来，纤维增强复合材料作为部分钢材的替代物引起了广泛关注。纤维增强复合材料具有比强度和比刚度高、抗疲劳性好、耐腐蚀、维护费用低、运输安装便利以及便于大面积整体成型等优点，是塔架结构较理想的建设用材料。目前，复合材料塔架已在欧美地区和日本得到广泛应用，其中以美国的研究开发和应用最为成熟[3]。
复合材料以不饱和树脂为基材，一般包括三类：不饱和聚酯基体、环氧树脂基体与酚醛树脂基体，然后用玻璃纤维进行增强形成玻璃钢（FRP），亦称作GFRP。
对于风电支撑结构塔架表层复合材料的研究，有学者提出了等效刚度理论[3]。然而，由于复合材料的多样性，同一种复合材料在使用过程中为了满足实际需要会掺入各种类型的添加剂。例如：加入SiC颗粒可以有效增强不饱和聚酯树脂复合材料的拉伸性能[4]，掺入适量木炭粉可以改善环氧树脂复合材料耐热性能[5]等。因此，同一类型复合材料的力学性能差别很大，本文通过改变环氧树脂的基本参数来研究其对塔架承载力的影响，其基本参数如下表2-1所示。
本文以某典型1.5MW级风机为对象，塔筒高70m、顶部外径2.6m，底部外径4.20m，钢筒材料取Q345。钢-复合材料组合塔架结构，将优质复合材料置于钢筒外边缘，这样不仅可以保证一定的结构刚度，也可以充分利用钢构件良好的延性，同时解决了钢材易腐蚀的问题。假设塔筒钢材料壁厚为，复合材料壁厚为，为了简化计算，假定塔筒壁厚不变。控制塔顶位移一定，分析其不同截面尺寸组合下的承载力情况。按照上述思路，取编号10为参照，计算得塔顶位移一定时钢-复合材料组合截面尺寸如下表2-2所示。
其中：为塔筒钢材料厚度，为塔筒复合材料厚度。
参照表2-2，分别计算10种编号组合塔筒在a-d这4种截面尺寸下Z方向的承载力，统计如表2-3所示。
为了更清晰地反映密度与弹性模量变化对塔筒承载力的影响，将上表数据制成曲线如下图2-1、2-2所示（由于压应力值较小，这里只绘出拉应力曲线）。
图2-1 复合材料密度大小对塔筒承载力的影响曲线靠、管理方便。所以设计人员要及时了解和掌握现在的节能技术发展，使之运用到建筑的节能设计中。
（四）积极的开展宣传引导工作
要想建筑节能政策要想取得了更好的实施效果，相关人员一定要积极的开展宣传引导工作，这就需要政府职能部门做好相应的工作，还应该把建设单位、企业单位、开发商、广大人民群众作为宣传节能政策的主要对象。让他们了解节能的重要性和好处。政府职能部门应该从以下几个方面入手：为社会公众提供合适有效的节能政策咨询体系、安排一系列的节能知识培训活动，或者向有关人士展示出合适有效的节能技术以及相关产品展示工作等等。[5]为了开展宣传引导工作，相关部门还应该通过多方面的途径提高人们的节能意识和节能知识，要让人们知道节约减排对建筑发展的重要性，以便于将节能政策有效的实施在建筑工程设计里。
图2-2 复合材料弹性模量大小对塔筒承载力的影响曲线
结束语
通过上文的分析可知，在进行建筑设计的过程中，设计人员一定要从整个建筑工程的实际情况出发，合理的分析有哪些因素会对建筑能耗造成的影响，并合理的利用可再生能源，优化与创新建筑节能设计体系，有效的将低碳概念有效的融合于建筑设计中，以便于给人们创造出一个更好的居住环境。
参考文献：
[1]范乃波，洪效祥，叶祥义.分析建筑节能优化设计方法概述[J].中华民居（下旬刊），2014，03：89-90.
[2]骆莹莹.低碳概念下的建筑设计应对策略[J].黑龙江科技信息，2014，26：216.
[3]林波荣，李紫微.面向设计初期的建筑节能优化方法[J].科学通报，2016，01：113-121.
[4]黄茜.建筑节能技术集成优化与评价研究[D].武汉理工大学，2012.
[5]余琼.方案阶段建筑节能参数化设计方法研究[D].清华大学，2013.
论文作者:胡显昊,张春文
论文发表刊物:《基层建设》2016年9期
论文发表时间:2016/7/26
标签：复合材料论文; 结构论文; 承载力论文; 节能论文; 组合论文; 安全性论文; 建筑节能论文; 《基层建设》2016年9期论文;